Метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего на основе техногенного сырья

Актуальность темы

Успешное развитие строительного комплекса зависит от уровня решения взаимосвязанных проблем по ресурсои энергосбережению, а также по снижению себестоимости строительной продукции. Поэтому в настоящее время одним из актуальных направлений строительного материаловедения являются исследования по созданию новых эффективных композитов на основе техногенного сырья, отличающихся пониженной себестоимостью и отвечающих современным требованиям долговечности и эксплуатационной надежности.

С позиции обеспечения сырьевыми ресурсами строительной индустрии следует учитывать прогрессирующий рост цен на природные минеральные ресурсы, используемых в производстве вяжущих материалов и заполнителей для бетонов. Важнейшим сырьевым резервом строительного комплекса являются многотоннажные вторичные продукты промышленности (ВПП), комплексное использование которых позволит формировать рациональные структуры в новых композиционных материалах в результате физико-химических взаимодействий.

Проблема утилизации отходов остро стоит во всем мире. Опыт стран Евросоюза свидетельствует об эффективности замены значительной части клинкера (35 — 95%, в зависимости от типа и марки вяжущего) гидравлически активными минеральными добавками из ВПП. Исходя из интересов охраны окружающей среды, в США отказались от производства собственного цементного клинкера и практически прекратили разработку карьеров известняка. Цементный клинкер завозят из Мексики и производят Blended Cements, смешивая клинкер с собственными техногенными отходами или продуктами их переработки [83].

В то же время ведущими институтами России НИИЖБ, НИИСФ, МГСУ и др. разработаны и апробированы технологии производства малоклинкерных композиционных вяжущих на основе вторичных продуктов промышленности. На разных этапах решения проблемы рационального использования вторичного сырья в производстве строительных материалов ведущую роль занимала наука. На основе теоретических разработок и результатов исследований Ю. М. Баженова, A.B. Волженского, O.JI. Дворкина, И. А. Рыбьева, П. Г. Комохова и других специалистов накоплен опыт и созданы технологии в строительной индустрии по вовлечению техногенного сырья с оптимальными материальными и энергетическими затратами.

Комплексные теоретические и экспериментальные исследования B.C. Грызлова, Т. М. Петровой, Ю. Г. Мещерякова показали эффективность использования техногенных отходов (металлургических шлаков, фосфогипса, шламов и др.), образуемых на территории Северо-Западного региона России, в составе бетонов различного назначения и других строительных композиционных материалах.

Однако теоретическое обоснование и практическое применение малоклинкерных и бесклинкерных минеральных вяжущих не решило еще проблемы комплексного подхода в вопросах переработки промышленных отходов для производства строительных материалов.

Поэтому комплексная переработка минерального техногенного сырья в производство строительных материалов является актуальной проблемой в материаловедческом, строительно-технологическом, промышленно-технологическом, экономическом и экологическом аспектах.

Исходя из основных положений теории структурообразования, учения о фазовых равновесиях, представленных в виде диаграмм состояния, была выдвинута рабочая гипотеза: получение синергетического эффекта синтеза физико-технических свойств полиструктурных композитов при комплексном совмещении и сочетании химического и фазового состава сырьевых компонентов.

Цель диссертационной работы — разработка метода получения многокомпонентного минерального вяжущего на основе комплексного подхода к переработке промышленных отходов.

Объектом исследования является многокомпонентное минеральное вяжущее.

Предметом исследования является метод создания конкурентоспособных вяжущих материалов с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области безобжиговых композиционных материалов с учетом современных тенденций в части ресурсои энергосбережения, методы математической статистики планирования эксперимента, теоретической и экспериментальной оптимизацииосновные положения теории прочности и теплопроводности композиционных материалов, метод эксперимента.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Предложен метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего, основанный на комплексном анализе параметров техногенного сырья, определении его физико-технологических особенностей, выборе направления использования, оптимизации соотношения химических оксидов шихты строительного композита.

2. Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов», включающая в качестве технической модели базис трехкомпонентной системы СаО-8Ю2-А12Оз для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.

3. На основе предложенного метода разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ), патент № 2 010 146 531. Установлена высокая эффективность применения ММВ в составе строительных растворов (по сравнению с равнопрочными вяжущими), обеспечивающего повышение: водоудерживающей способности цементного теста на 33%- прочности вяжущего в составе строительного раствора при изгибе на 9%.

4. Предложен рациональный состав шлакобетона с использованием разработанного ММВ, обеспечивающего повышение (в сравнении с равнопрочными шлакобетонами): призменной прочности на 6,2 МПа в сравнении с нормируемой призменной характеристикой СП 52−101−2003 [142]- прочности шлакобетона на осевое растяжение от 35 до 55%- понижение коэффициента теплопроводности на 13. 17,7%.

Практическая значимость работы. Разработан стандарт организации (технические условия) на сухую строительную смесь, содержащую в своем составе многокомпонентное минеральное вяжущее в соответствии с существующими нормативными требованиями. Опытно-промышленной проверкой подтверждена эффективность разработанного многокомпонентного вяжущего, на основе предложенного метода. Исследованы свойства композитов с применением ММВ в комплексе с модифицирующей добавкой «Полипласт СП-1». Это позволило снизить: массу напольных плит на 6%, себестоимость на 15,3% с сохранением регламентируемой прочности.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ЧГУ» при подготовке бакалавров и магистров направления 270 800.68 «Строительство». Результаты диссертационной работы использовались при выполнении выпускных квалификационных работ магистерских диссертаций строительного профиля.

Практическая реализация рекомендаций данной работы, осуществленная на производстве ООО «Красивый дом» г. Череповца, показала, что применение многокомпонентного минерального вяжущего при производстве напольных плит покрытия при общем объеме внедрения 86,40 м растворной смеси, экономический эффект составил 27,035 тыс. руб. или 298 руб. на 1 м³ растворной смеси.

Результаты работы внедрены в учебный процесс направления 270 800.68 «Строительство» при изучении дисциплины «Ресурсосберегающие технологии керамики, силикатов и бетонов» в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на ежегодном смотре — сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук 21.11.2007 г.- на всесоюзной научной конференции студентов и аспирантов, проходящей в г. Вологда с 16 по 18 апреля 2009 годана всероссийской научно — практической конференции «Череповецкие научные чтения — 2009» 2−3 ноября 2009 г.- на XIV межрегиональной выставке «Свой дом» 07.10.2011 г. с докладом «Применение местных материалов для производства сухих строительных смесей» (приложение 13).

1. Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ: в «Материалах ежегодных смотров — сессий аспирантов и молодых ученых по отраслям наук». — Вологда: ВоГТУ. — 2007.

— С. 4−11- в сборнике «Череповецкие научные чтения — 2009″ по материалам всероссийской науч. — практич. конф. — Череповец: ЧТУ. — 2010. — С.53−56- в сборнике „Молодые исследователи — регионам“, Т.1 по материалам всероссийской научн. конф. студентов и аспирантов». — Вологда: ВоГТУ. -2009. — С. 4−5- в т. ч. 5 работ в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ. Бондаренко Г. В. Использование отходов в производстве строительных материалов / А. Г. Каптюшина, Г. В. Бондаренко // Строительные материалы.

— 2008. — № 2. — С. 38−40. Бондаренко Г. В. Проектирование состава композиционного безобжигового вяжущего на базе техногенных отходов.

Череповецкого промышленного узла и исследование его технических характеристик / А. Г. Каптюшина, Г. В. Бондаренко // Химическая У промышленность сегодня. — 2011. — № 11. — С. 37−41. Бондаренко Г. В. Проектирование состава бетона на основе вторичных продуктов производства Череповецкого промышленного узла методом математического планирования эксперимента / Г. В. Бондаренко, А. Г. Каптюшина. // Вестник ЧГУ. — 2012. — № 1. Т.2. — С. 7−11. Бондаренко Г. В. Методологические аспекты получения многокомпонентного минерального вяжущего на основе техногенных отходов промышленности / Г. В. Бондаренко, B.C. Грызлов, А. Г. Каптюшина // Строительные материалы — 2012. № 2. С. 26−29. Бондаренко Г. В. Оценка свойств шлакобетона, изготовленного на основе многокомпонентного минерального вяжущего / Г. В. Бондаренко // Вестник гражданских инженеров. — 2012. № 5. — С.138−144.

Получен патент на изобретение № 2 010 146 531 с приоритетом от 15.11.2010 г. Решение о выдаче патента от 13.07.2012. На защиту выносятся:

1. Метод получения состава сырьевой шихты многокомпонентного минерального вяжущего на основе комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов с обоснованием выбора технической модели.

2. Систематизация метода с целью практического применения в виде «Схемы комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов», отличительной особенностью которой является использование базиса трехкомпонентной системы Ca0-Si02-Al203 в качестве технической модели для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.

3. Получение нового состава многокомпонентного минерального вяжущего максимально приближенным по минералогическому и химическому составу основных оксидов к портландцементу, выполненного на основе разработанного метода. Подтверждение теоретического расчета состава сырьевых компонентов по содержанию основных химических оксидов лабораторными исследованиями.

4. Результаты исследований свойств разработанного многокомпонентного минерального вяжущего на базисе трехкомпонентной диаграммы CaO-SiCV А1203.

5. Проектирование рационального состава бетона на разработанном многокомпонентном минеральном вяжущем.

6. Результаты исследований свойств бетона на основе многокомпонентного минерального вяжущего и факторов, влияющих на повышение его эксплуатационных характеристик;

7. Результаты опытно-промышленной проверки эффективности состава растворной смеси, разработанной на основе многокомпонентного минерального вяжущего.

Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследованийприменением общепринятых методов оптимизациииспользованием фундаментальных положений термодинамикитеории структурообразованияприменением современных математических методов планирования эксперимента и статической обработки результатовудовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путемрезультатами промышленной апробации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 6 глав с выводами по каждой из них, общие выводы и изложена на 164 страницах машинописного текста, включает 44 таблицы и 39 рисунков, 66 формул, 13 приложенийсписок использованных источников из 190 наименований, в т. ч. 18 зарубежных.

САНИТАРНО-ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

35.ЧЦ.02.571 .П.ОМ570.С6.0 В 27.06.2С03 г,.

Настоящим сшштарно-эпидсмиолошческим заключением удостоверялся, чго продукция:

Эолошлаковыо отходы. изготовленная в соответствии ГОСТ 25 592–91 «Смеси золошпаковые теплсаых электростанций для батонов» .

СООТВЕТСТВУЕТ (НЕ СООТВЕТСТВУЕТ) еащггаршм правилам пепужиоеггеергауть. jvaiaFwНаТПЗс itui. iicjiObiiuK racj’AJpiicciuiux tai: i!iapiK>—4iii3CMito-ioririec". -i* правил и пору л швов):

СП 2.6.1.799−99 «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности». СП 2.0 1 753−99 «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99).

Opi аии мникизготовитель.

Филиал ОАО «ОГК-6″ Череповецкая ГРЗС», л. Ks дуй. Вологодская обл., ул. Промышленная, 2 (Росси?скоя Федерация).

Получатель санитарно-эпидемиологического заключения.

Филиал ОАО «ОГК-б» Череповецкая ГРЗС". п. Кэдуй, Вологодская обл. ул. Промышленная, 2 {Российская Федерация).

Основанием для признания продукции, соответствующей (яо .-«овтвот стпующои) санитарным правилам, ЯВЛЯ10ТСЯ (псрсчжлнть раеем. трсикысярогомли нсслсдо&аш.». кшмелоешне) чре.к. .'ПИЯ. проводившего иссл^^паапяя трутнетмссчотгс г j: дил-яшн):

1) Экспертное закл*>чение № 541-П от 27.05 20С5 годэ филиала Федерального государственного учреждения здравоохранения 'Центр гигиены и эпидемиологии п Волст? дс<�сй области в г. Череповец" - 2) Протокол исльлоний аккредитованного испытательчс-о лабораторного центра ф^л/зла ФГУЗ 'Центр гигиены и эпидемиологии 53 Вологодской солазти' N2515 от 30 0−1.2C03 г.- 3) Протокол биотестироввния № 117 *l (ентр лабораторного анализа и технических измерении по Вологодской области*, аттестат аккредитации №РОСС RU 0001 511 364.

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «АММОФОС».

Россі", І62ґії2, і. Черепом^. БедзгОікза" ОСІ.ІЛП.

Аналитическая лаборатория.

Анали гиясского центра дай).

Скетекд «ірв^штшвя tl tn: тхтг^яих raCcpsiiipKS іїкїїпчч).

TiMTSf «кхремгаотя М РОСС Я'. OSO І 31•UT'J <гг 1 і «і «17 хсПстзяя sa {І? жкнія *0 Гі г.

Протокол испытаний от П ноября 2009 г.

1 Заказчик: ЧТУ.

2 Наименование испытуемых образцов' Опытные образны.

3 Мі-сто отбора лаборатория кафедры строительных технологий «экспертизы недвижимое™

4 Дата отбора. сентябрь 2009 г.

5 Количество проб: 11.

6 Дата доставки пробы Сентябрь 2009 г.

1 Дата проведения испытаний Сентябрь — ноябрь 2009 г.

К Результаты испытанийАнализ выполнен ш фактических растертых проб.

Массовая доля компоиекга %.

0?Н*кт анатгзя FeiOj 5Юг СаО Abol.

Цемент 3,9 23.3 63,7 5,1.

Доменный излах 2,1 39,6 6,-1.

Стал сплавил ьный шлак 27,3 11.2 36,2 •1,5.

Kwpnmf 55,6 6.7 13.7.

Фосфопшс 0,03 0,14 34.5 0,05.

Состав .Ysl 2,7 15,9 52,7 3,2.

Состав Xs2 Ш І 2,5 35,0 3,6.

Состав УйЗ 11,0 Г П. 5 35.3 3,9.

Соста" Уа4. 1.) 34,0.

Cixra" Mti 35,5 2,6.

Состав 4,7 10.5 36.6 2,6.

Метод К" 'А (>1ке"яыЙ Грллкиетр СКты-мкмм.

Начальник ЛЦ

Намаяьниь AJ1 АЦ Истткіпель: Вед, спешіадист ЛЛ лж.

Нутрихина. ЩЇ., Каі!иніша.

О НІ'іІрі окіинна ротоісаїї ге мож<�тйить пе^кггеитзх пс^геосіію н. оі чьстачіт 5с* ра^рстмійя слепыши All.

ФорЗД 4 .'.0/1-?6.

У I И1 1'ЖДЛ10.

Директор фи. I и та ОАО «ОГК-6″ Череповецкая ГРЭС О, К, Фумнч»:".

СОГЛА€ОВ ШО мжоди te. su, Управлении ч".

ЮЧиСПОПГЧсСКОЧ} Я ЗШЛГ4 ИЧ1"КПМ нлд s. ip> f’ocic,"i"jopa гю Води! идсьой r/i чаете «) 0 Hoi омодов h’iinmit >

20 м, п.

VI П.

ПАСПОРТ ОПАСНОГО ОТХОДА.

Госта плен «ш огчод.

31 100−00 01 W 0| Зол-ршлаки or сжш ы>1Ш ианчснялн!" 1, тИ"" ¦>' «и*""*» *¦) irjarv rmAnMiтвердый ирсгжмюс v-ocroeifiic («(¡-("""ческал ¡-ляига (рердий, нас^л^ташыА, nstsvt tvi-ctcH»" rfieN^lt! >j>':nU'liil i:^-:!:-:пвджад, inpfi- .awitt? ^ирйГ^итсг.ьсэстси^Лстд, tufac).

СОСТОЯЩИЙ из вола (8,74%). оксид алюминия (9 $^ ¡-«томим lo. ieeofi (0,02%). оксиды желе-т (4.7 I %), калий (0,17%) шеи.') юлши* (0,76 „-о), эноксил премии“ (75,00%}, иксяа мо' имя (0,1 & %,!, маргснси (0,СМ %), илгрни %}. пикет». (0 гуль<|м*< ы (0,05%), фосфаги (D 02%), цинк, кадчия. меда., свинец, tAOpttfly jdjil %), нсфгепролукмы i менее 0 Q1%) образованный в результате.

ШЧШеНМШШЙ CV i!!" ', Ч Ь i сжигание vnia на кегельных йн"о («mist»." i"la.mi1'toM'icv"4i<�о щхшлчз. «pcivik"K tfawpan"абрадомше» <>т>ат. нчк itf>U.""A «1КЧ5 '» .I КС Kftl!>JKSI.